DE1926972A1 - Schalteinrichtung zur Strombegrenzung - Google Patents

Description

Es ist bekannt, mit Hilfe eines zeitlich zunehmenden Widerstandes Überströme in elektrischen Anlagen zu begrenzen (Reduktor) oder bei Einschaltung solcher Widerstände in der Nähe des Stromnulldurchganges die Abschaltbedingungen zu erleichtern (Reduktionsschalter). Neben Widerständen, bei denen der Widestandswert durch schnell bewegte Kontakte erhöht wird, haben sich insbesondere Strombegrenzer mit temperaturabhängigen Widerständen bewährt. Bei diesen wird ein parallel zu einem Schalter liegender Widerstand mit hohem positivem Temperaturkoeffizienten bei Auftreten eines tlberstromes in den Stromkreis eingeschaltet und damit die Strombegrenzung selbsttätig durch die Erwärmung des Widerstandes bewirkt. Bei Verwendung chemisch reinen Eisens kann im Extremfall eine Widerstandserhöhung auf etwa das 12fache erreicht werden; bei allen anderen Werkstoffen liegt dieser Faktor tiefer. Für manche Zwecke wäre eine wirksamere Strombegrenzung durch eine wesentlich größere Widerstandszunahme erwünscht.

Die Erfindung bezweckt eine solche wirksamere Strombegrenzung. Sie betrifft eine Schalteinrichtung, bestehend aus mindestens einem Hauptschalter und mindestens einem dazu parallel liegenden Widerstand, dessen Widerstandswert mit der Temperatur zunimmt und auf den der Strom beim öffnen des Hauptschalters kontjmjtiert wird. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, um im normalen Betriebszustand den Widerstand auf eine Temperatur zwischen 80 ⁰K und 4 ⁰K bzw. höher als die

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Sprungtemperatur des Widerstandsmaterials abzukühle-n, und daß als Widerstandsmaterial ein Material verv/endet ist, dessen spezifischer Widerstand im Bereich von 20 ⁰K bis 373 ⁰K auf mindestens das Hundertfache ansteigt.

Bisher bestand die Ansicht, daß die Änderung des spezifischen Widerstandes Q mit der Temperatur -$ durch eine lineare Beziehung von der Form

gegeben sei, wobei f' den Widerstandswert in $1 cm z. B. bei 0 C bedeutet und der Temperaturkoeffizient d. in der Größe von (4...6) . 10"° je Grad liegt. Diese Gesetzmäßigkeit gilt angenähert auch noch für Temperaturen unter 0 ⁰C bis herab auf etwa - 70 ⁰C. Die Erfindung beruht auf folgenden überraschenden Einsichten:

- Der spezifische Widerstand £ ändert sich im Bereich unter etwa - 70 ⁰C nicht mehr linear mit der Temperatur, sondern befolgt ein Gesetz von der Form

η
(IA > (2)

wobei z. B. für Wolfram η <a 3 ist.

Die spezifische Wärme c¹ in Ws/cnrgrd, die für das Verhalten eines Widerstandes zur Strombegrenzung von ebenso großer Bedeutung ist, nimmt unterhalb - 70 ⁰C zunächst quadratisch und bei sehr tiefen Temperaturen mit der 3, Potenz der absoluten Teaperatur ab. -

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Überraschend und für die Realisierung von Strombegrenzern nach der Erfindung entscheidend ist aber die Erkenntnis, daß die Größe

K = -^- . T«* konst. (3)

ist, wobei K für jedes Widerstandsmaterial einen charakteristischen Wert aufweist. In Näherung ergeben sich beispielsweise folgende Werte:

2 Wolfram: K^ 0,15 . 10⁹ (JÜ . s

Eisen: K« 0,09 . 10^y Kupfer: K ** 0,52 . 10⁹

Mit Gl. (3) kann nun die jeweilige Temperatur und damit auch der zugehörige.Widerstandswert in einfacher Weise angenähert berechnet werden. Aus der Differentialgleichung

^- dT = S²dt (S = Stromdichte in.-A₇) (4) S cm

folgt mit Gl. (3)

f α ι (

S²dt

Die Lösung lautet:

(y⁼ι

In A- U r . S^dt

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und somit +

κ j ^s2dt

T = T₀ e ° . (5)

C 2 Man wird nun den Widerstand so bemessen, daß S dt während der

Stromreduktion einen möglichst hohen Wert erreicht, wobei aber die maximal zulässige Widerstandstemperatur einzuhalten ist. Beträgt V die Zeit der Stromreduzierung, so ist der Effektivwert der Stromdichte S gegeben durch

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Da man aus den Netzdaten meist den ungefähren Verlauf des reduzierten Stromes ableiten kann, ist auch S(t) = i/q (q = Leiter-

querschnitt in cm ) und damit §_eff angebbar. Neuartig ist, daß

trotz der sehr starken Abnahme der spezifischen Wärme und der dadurch bedingten geringen Wärmekapazität des Widerstandsmaterials doch brauchbare Strombegrenzer gebaut werden können, weil die erzeugte Wärme im Bereich tiefer Temperaturen ebenfalls sehr klein ist. Wäre dies nicht der Fall, so würde der Widerstand infolge seiner geringen Wärmekapazität explosionsartig zerstört. Infolge dieser Anpassung zwischen c^! und <? und der dadurch bedingten allmählichen Zunahme der Temperatur ergibt sich auch keine explosionsartige Verdampfung der den Widerstand umgebenden Flüssigkeit. In der nachstehenden Tafel sind einige Kühlmittel aufgeführt:

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Kühlmittel | Siedetemperatur bei ρ = 1 atm

⁰K

Stickstoff

77

Neon ι 27

Wasserstoff Helium

20 4

Durch Änderung des Druckes ρ können die Siedetemperaturen den jeweiligen Verhältnissen angepaßt werden.

Besonders vorteilhaft zum Bau von Strombegrenzungswiderständen sind extrem reine Metalle wie Wolfram, Eisen und Kupfer. Supraleitende Werkstoffe mit relativ hoher Sprungtemperatur Tg , z. B. GaV₅ mit T₃ = 16,8 ⁰K und SiV₅ mit T_gO = 17 ⁰K, sind legierungen und weisen daher eine geringere Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes von der Temperatur auf. Sie sind somit für Strombegrenzungswiderstände nach der Erfindung weniger geeignet. Bei den reinen Metallen wie Aluminium mit Tg - 1,18 ⁰K, Zinn mit Tc* = 3,7 ⁰K und Blei mit T_Q„ = 7,19 ⁰K soll nach der

op OM

Erfindung die Temperatur T_Q im Betriebszustand über der Sprungtemperatur liegen, wodurch die bei Ausnützung der Supraleitung an sich bekannten Schwierigkeiten vermieden werden.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise erläutert:

In Fig. 1 ist ein Strombegrenzer nach der Erfindung schematisch dargestellt. Der zu reduzierende oder abzuschaltende Strom i fließt über den geschlossenen Hauptschalter 1, wobei der Hilf abschalter 2 vorerst offen ist, so daß über den temperaturabhängigen Widerstand 5 kein Strom fließt, also I2 - O ist. Der

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temperaturabhängige Widerstand 3 befindet sich in einem Behälter 4, durch den das von einem zentralen Kühlaggregat 5 aufbereitete Kühlmittel 6 strömt. Um die Wärmeverluste möglichst klein zu halten, ist der Behälter 4 in an sich bekannter Weise von einer die Wärmestrahlen reflektierenden Hülle 7 umgeben. Die Stromzuführungen 8 und 9 zum Widerstand 3 sind ebenfalls gekühlt und so ausgebildet, daß der Wärmeverlust durch Wärmeleitung möglichst klein ist. .

Tritt nun, wie in Fig. 2 dargestellt ist, zur Zeit t = -At ein Kurzschlußstrom L_K mit einer durch die Netzinduktivität L gegebenen ütromsteilheit auf, so soll nach der sehr kurzen Zeit At von Bruchteilen einer Millisekunde der Hilfsschalter 2 (s. Fig. 1) geschlossen und unmittelbar darauf der Hauptschalter 1 geöffnet werden. Durch die am Hauptschalter 1 auftretenden Lichtbögen,-die selbst bei geringstem Kontaktabstand schon eine Brennspannung von, etwa 10 V je Unterbreohungsstelle aufweisen, wird der Strom i-j auf den Widerstand 3 köaunutiert. Dabei muß die Bedingung erfüllt sein, daß der Trennstrom Im multipliziert mit dem Kaltwiderstand r einen Wert aufweist, der kleiner als die totale Lichtbogenspannung U^ ist, also

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wobei Ug in der Anordnung nach Fig. 1 etwa- 20 bis 30 V beträgt. Werden die Lichtbogen in engen Spalten gezogen, so lassen sich Spannungsgradienten bis zu mehreren 100 V/cm und ünterbrechungsstelle erzielen. Dies kann insbesondere bei der Anwendung von Strombegrenzern in Anlagen mit hochgespanntem Gleichstrom von Bedeutung sein. Der Kaltwiderstand r_Q ergibt sich somit zu

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Bei einem Reduktor soll nun i nicht größer als etwa (2-3) . sein. Die Stromflußdauer C beträgt im Kurzschlußfall bei 5t) Hz 5 ms, bei 60 Hz 4,15 ms. Da zudem die Stromsteilheit gegeben ist, kann der Verlauf des reduzierten Stromes i näherungsweise ermittelt werden. Bedeutet q in cm"* den vorläufig noch unbekannten Querschnitt des veränderlichen Widerstandes, so läßt sich aus dem Stromverlauf durch Quadrieren und Dividieren mit die interessierende Größe

S(t) » S^dt = Ir₇ i^dt (9)

berechnen.

Etwas anders liegen die Verhältnisse beim sogenannten Hed.uktionsschalter. Der dabei auftretende Stromverlauf i^ ist in Fig.3 dargestellt. Der Kurzschlußstrom i^ fließt bereits und erreicht dann einen Stromnulldurchgang N-j. Kurz davor wird durch eine an sich bekannte Synchronsteuerung der Hilfsschalter 2 geschlossen und der Hauptschalter 1 geöffnet. Der zum Hauptschalter 1 parallel liegende Kaltvdderstand r_Q ist nun so zu bemessen, daß der Anstieg der wiederkehrenden Spannung (du_w/dt)₀ v/esentlich herabgesetzt wird. Die hierfür maßgebende Größe K ist definiert durch:

κ -ό| l'u · ⁽¹⁰⁾

FürK= 0,5 erreicht die wiederkehrende Spannung asymptotisch den Wert ü (s. Fig. 3), wobei die Steilheit des Anstieges bei · K= 0,5 etwa 1/3 derjenigen der ungedämpften Schwingung beträgt.

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Bei K= 0,1 wird der Anstieg der wiederkehrenden Spannung auf etwa 10 fi verringert. Diese weitgehende Herabsetzung des Spannungsanstieges gestattet nun, extrem hohe Ströme mit entsprechend hoher Stromsteilheit (di/dt)_Q beim Durchlaufen des Stromnulldurchganges sicher auf den Widerstand r_Q zu kommutieren, denn in Näherung gilt der Zusammenhang

(If) . ''J-) « -2-7 <s konst. ' (11)

\di,₀ χ dt J₀ 2V^

Hierin bedeuten U₀ = Ugi die stationäre Lichtbogenleistung in der Nähe des otromnulldurchgängen und 'Cg die Lichtbogenzeitkonstante. Unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang JL (s. Fig.5) fließt der Strom durch den Widerstand r_Qt der sieh anschließend um mehrere Größenordnungen erhöht, so daß dann im nächsten Stromnulldurchgang N2 die treibende Spannung u und der sehr kleine reduzierte Strom ^gleichzeitig durch Null gehen und daher die Unterbrechung des reduzierten Stromes keine Schwierigkeiten bereitet. Da beim Heduktionsschalter die Energieumsetzung sehr viel kleiner ist als beim ßeduktor, wird auch der Strombegrenzungswiderstand entsprechend kleiner und einfacher.

Zur weiteren Erläuterung diene nachstehendes Beispiel:

Es ist ein Reduktor für eine verkettete Spannung von U_y = 10'000 V und eine dreiphasige Kurzschlußleistung an der Einbaustelle von P_a = 1000 MVA zu bemessen. Der Kurzschlußstrom wird IOOO/1T. 10 = 58 kA und somit die Induktivität je Phase L = 10/13". 58 . ω = 0,315 . 10"⁵ H. Die maximale Stromsteilheit ergibt sich zu

) ^{12 U} JT. 10¹OOO or _1n6 ./

= CO . IU h/S.

IT. 0,315 . 10" 009 8 4 8/0974

i = 2,5 . I_T = 1O¹OOO A

ergibt sich ein Verlauf des reduzierten Stromes i, wie er in Fig. 2 aufgezeichnet ist. Durch Quadrieren erhält man i^c ~ f(t), woraus folgt

t. t

S(t) = S²dt = I₂ i²dt. ο ο

ρ Durch Flanimetrieren der i -Kurve findet man

J(D ^ 7 . 10⁴ (A²S) J(5) « 15 . 10⁴ (A²S).

Zur Zeit t = 1 ms ist di/dt = Ό und somit bei Berücksichtigung eines Spannungsabfalls von 15 fr

_T J$„„jaSL .0.7Λ ¹ 10'0OO 10¹OOO

Mit I_T = 4000 A wird gemäß Gl. (7)

^TJB 20

r —

ti _β J^

Durch lineare Interpolation findet man die m

t; ß Q' Γ- Λ Ρ: /" p. Si T /.

_BAB

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Temperatur T-j & 210 ⁰K. Es muß somit sein:

Hieraus folgt:

0,67 . 1ö~⁸ . \ T₁ = 40 . e ^q'

und somit

-J ..L^jol .._2f82 . ₁₀-4

q = 1,68 . 10~² cm².

Die Endtemperatur T^ wird

■ί η in"⁸ 1 b . 1 O^

J, D/ . IU -—■ '"ΖΈ

T_K = 40 . e ²'⁸² * ^1C~ = 40

IV == 40 . 34,8 = 14C0 ⁰K. Für die Länge 1 ergibt sich

slI. SiSP5.^L6e ,. J0i ^ ,γόο CH ~ 37 5o 2,25 . 10~^b

,γόο 37 m.

Das totale Widerstandsverhältnis betrügt ^ » ~» = ^rirm ~ ?^ÖO

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IAB ORiGIWAL

Für das sichere Funktionieren muB der veränderliche Widerstand r su Beginn einer Abschaltung annähernd den Wert r_Q aufweisen. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß der Hilfssehalter 2 (s. Fig. 1) nur dann eingeschaltet werden kann, wenn der Widerstand r- auf eine vor "be stimmte Temperatur T₀ abgekühlt ist. Um kurze Abkühlzeiten zu erreichen, wird man den Widerstand r zweckmäßig aus parallel geschalteten dünnen Drähten oder dünnen Bändern herstellen. Bei einem Drahtdurchmesser von beispielsweise 0,3 mm können Abkühlzeiten von Bruchteilen einer Sekunde erreicht werden. Die Verwendung dünner Drähte und Bänder ist auch mit Bücksicht auf den Skineffekt vorteilhaft, da der spezifische Widerstand <? im abgekühlten Zustand sehr gering ist.

Sind Ausschaltungen in'sehr kurzen Zeitintervallen notwendig, so wird-man zweckmäßig mindestens zwei parallele Kreise zum Hauptschalter 1, bestehend aus Widerstand und in Reihe damit liegendem Hilfsschalter 2, vorsehen, wobei beim Ausschalten nur derjenige Hilfsschalter geschlossen wird, dessen zugehöriger Widerstand auf eine νοrbestimmte Temperatur abgekühlt ist.

Eine beispielsweise Ausführungsform einer derartigen Anordnung zeigt Fig. 4. Darin bedeuten 11 und 12 temperaturabhängige Widerstände, die im Normalbetrieb, wie oben beschrieben, auf tiefe Temperatur gekühlt sind, V3 den Hauptschalter mit dem elektrodynamischen Antrieb, bestehend aus der feststehenden Spule 14 und dem beweglichen metallischen Teller 15, der mit der Schaltbrücke 16 starr verbunden ist. YJ_ und JJ3 sind Hilfsschalter mit elektrodynamischen Antrieben, bestehend aus den feststehenden spulen 19 und 20 und den Schaltbrücken 21 und 22, die gleichzeitig als Sekundärspulen der-elektrodynamischen Antriebe dienen. Zusätzlich sind Scheiben 23 und 24 vorgesehen, die mit den Kolben 25 und 26 der Verzögerungspumpen 27 und 28 verbunden sind. Die Scheiben 23 und 24 sind über einen Waagebalken 29 mit einem

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BAD ORfGiNAL

frei beweglichen Drehpunkt 30 verbunden, an dem der Hebel 51 starr befestigt ist. 32 ist eine Isolierplatte, die je nach Lage der Kolben 25, 26 vor den Kontakt 33 bzw. 34 geschoben wird. Die beiden anderen Kontakte sind mit 35 und 36 bezeichnet. 37 und 38 sind Federn, die den Kolben 25 bzw. 26 in einer vorgegebenen Zeit in die ursprüngliche Lage"zurückbewegen. 39 ist eine Kondensatorbatterie, die durch eine nicht dargestellte Einrichtung aufgeladen wird; 40 ist eine Dreielektrodenfunkenstrecke, die bei Auftreten eines Überströmes in an sich bekannter Weise zum Ansprechen gebracht wird. 41 und 42 sind Federn, die den Hilfsschalter JJ. bzw. J_8 nach einer vorgegebenen Zeit wieder öffnen.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Bei Auftreten eines Uberstromes spricht die Funkenstrecke 40 an, der Kondensator 39 entlädt sich einmal über die Spule 14 des Hauptschalters IJL zum andern über die Spule 20 des Hilfsschalters JJ3_. Dies ha': zur Folge, daß der Hilfsschalter 18 sich schließt und der Hauptschalter J_3 sich öffnet, wodurch der Strom i auf den Widerstand 12 kommutiert wird. Die Reihenfolge des Schließens des Hi?.fsschaltas J_8 und des Öffnens des Hauptschalters Y5 kann durch eine entsprechende Abstimmung der bewegten Massen gewährleistet werden. Mit der Erregung der Spule 20 wird der Teller· nach rechts beschleunigt und der Kiben 26 entgegen der Feder ebenfalls nach rechts verschoben. Unter dem Einfluß der Feder Öffnet sich der Hilfsschalter Vd nach einer vorgegebenen Zeit, wodurch die Abschaltung des Überstromes im darauffolgenden Stroinnulldurchgang bewirkt wird.

In Fig. 4 ist vorausgesetzt, daß kurz vorher eine Abschaltung über den Widerstand 11 stattgefunden hat. Eine zweite Ein-Ausöchaltung darf erst möglich sein, wenn der Widerstand 11 sich wieder annähernd auf den Kaltwert r abgekühlt hat. Man könnte

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) .ORIGINAL

nun eine an sich bekannte Temperaturiaeßeinrichtung vorsehen, durch die bei Erreichen von T₀ der zugehörige Hilfsbehälter freigegeben wird. Einfacher ist es jedoch, das Schließen des Hilfsschalters während der an sich bekannten Abkühlzeit zu sperren. Als Zeitmeßgeräte können Uhrwerke, Dämpfungspumpen und dgl. zur Anwendung gelangen.

In Fig. 4 ist eine beispielsweise Ausführungsforia ait Dämpfungspumpen dargestellt. Nach Erregen der Spule 20 wird der Hilfsschalter J£$ geschlossen und der Kolben 26 bewegt sich zusammen mit der Scheibe 24 nach rechts. Der Waagebalken 29 stellt sich senkrecht und der Hebel 31 waagerecht. Inzwischen bewegt sich der Kolben 25 nach links und verschiebt - da sich der Kolben 26 noch annähernd in der Rechtsstellung befindet - den Hebel 31 und die Isolierscheibe 32 nach unten. Dadurch kann sich die Scheibe 23 auf die Kontakte 33, 36 aufsetzen, womit der Hilfsschalter YJ_ wieder betriebsbereit ißt. Andererseits ist das Schließen des Hilfsachalters VQ durch die nach unten geschobene Isolierplatte verhindert; es wird also bei der nächsten Abschaltung nur ein Hilfsschalter beiäigt»

Elektrische Widerstände zeigen bei sehr tiefen Temperaturen eine Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes vom sie durchdringenden Magnetfeld, und zwar immer im Sinne einer Erhöhung von . Im Gegensatz zn Supraleitern ist bei den Widerstandsmaterialien für Strombegrenzer each der Erfindung diese gerisge Widerstandserhöhung meist ohne Bedeutung. Die magnetische feldstärke kann aber ohne Schwierigkeiten durch an sieh bekannte magnetische Abschirmungen auf ungefährliche Werte herabgesstst werden«

6 Ansprüche
4 Figuren

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Claims (6)

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1.)Schalteinrichtung, bestehend aus mindestens einem Hauptschalter und mindestens einem dazu parallel liegenden Widerstand, deaaen Wi.derstandswert mit der Temperatur zunimmt und auf den der Strom beim Öffnen des Hauptschalters kommutiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (4, 5, 6) vorhanden sind, um iia normalen Betriebszustand den Widerstand (3) auf eine Temperatur zwischen 80 ⁰K und 4 ⁰K bzw. höher als die Sprungtemperatur des Widerstandsmaterials abzukühlen, und daß als Widerstandsmaterial ein Material verwendet ist, dessen spezifischer Widerstand im Bereich von 20 ⁰K bis 373 ⁰K auf minde-. stens das Hundertfache ansteigt.

2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, mit mindestens einem Hilfsachalter parallel zum Hauptschalter und in Reihe mit dem Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschalter (2) im normalen Betriebszustand offen ist und beim Ausschalten unmittelbar vor dem öffnen des Hauptschalters (1) geschlossen wird.

3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Mittel, die gewährleisten, daß der Hilfssohalter (2) nur dann eingeschaltet werden kann, v/erin der Widerstand (3) auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt isi-,

4. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, insbesondere für Schnellwiedereinschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Parallelkreise zum Hauptschalter (13), bestellend aus liderstand (11 bzw. 12) und in Beine damit liegendem lilfsschalter (17 bzw. 18), vorgesehen sind und daß beim Ausschalten nur derjenige Hilfsschalter geschlossen wird, dessen zugehöriger Widerstand auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt ist.

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5. Schalteinrichtung nach ikispruch 1, insbesondere im Bereich hoher magnetischer Feldstärken, dadurch gekennzeichnet ,· daß der Widerstand magnetisch abgeschirmt ist.

6. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus parallel geschalteten dünnen Drähten oder Bindern besteht.

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